- ลักษณะเฉพาะ
- คุณสมบัติ
- มรดก
- การทำซ้ำ
- โรคที่เกี่ยวข้อง
- การสูญเสียการได้ยินเมื่อเทียบกับอายุที่เพิ่มขึ้น
- การเกิดโรคมะเร็ง
- อาการอาเจียนเป็นวัฏจักร
- อ้างอิง
ยลดีเอ็นเอเป็นโมเลกุลเล็กดีเอ็นเอวงกลมที่ตั้งอยู่ภายในอวัยวะเหล่านี้ในเซลล์ยูคาริโอ รหัสจีโนมขนาดเล็กนี้สำหรับโปรตีนและกรดอะมิโนจำนวน จำกัด ภายในไมโตคอนเดรีย เป็นเรื่องปกติที่จะพบชื่อ "mitochondrial DNA" ที่ย่อในตำราและบทความทางวิทยาศาสตร์หลายเล่มว่า "mtDNA" หรือในภาษาอังกฤษ "mtDNA"
ไมโตคอนเดรียเป็นออร์แกเนลล์ที่จำเป็นสำหรับเซลล์ยูคาริโอตเนื่องจากมีหน้าที่ในการเปลี่ยนพลังงานจากอาหารที่บริโภคในรูปของน้ำตาลให้เป็นพลังงานรูปแบบหนึ่งที่เซลล์สามารถใช้ได้ (เช่น ATP)
Mitochondrial DNA (ที่มา? สถาบันวิจัยจีโนมมนุษย์แห่งชาติผ่าน Wikimedia Commons)
เซลล์ทั้งหมดในสิ่งมีชีวิตยูคาริโอตมีไมโทคอนดรีออนอย่างน้อยหนึ่งเซลล์อยู่ภายใน อย่างไรก็ตามมีเซลล์ต่างๆเช่นเซลล์กล้ามเนื้อหัวใจและเซลล์กล้ามเนื้อโครงร่างที่สามารถมีไมโทคอนเดรียหลายร้อยเซลล์อยู่ภายใน
ไมโตคอนเดรียมีอุปกรณ์สังเคราะห์โปรตีนของตัวเองโดยไม่ขึ้นกับอุปกรณ์ของเซลล์โดยมีไรโบโซมถ่ายโอนอาร์เอ็นเอและอะมิโนอะซิลอาร์เอ็นเอทรานสเฟอเรส - ซินเทเทสจากภายในของออร์แกเนลล์ แม้ว่าไรโบโซมอาร์เอ็นเอจะมีขนาดเล็กกว่าเซลล์ที่เป็นที่อยู่ของเซลล์
เครื่องมือดังกล่าวแสดงให้เห็นถึงความคล้ายคลึงกันอย่างมากกับเครื่องมือสังเคราะห์โปรตีนของแบคทีเรีย นอกจากนี้เช่นเดียวกับในโปรคาริโอตเครื่องมือนี้มีความไวต่อยาปฏิชีวนะอย่างมาก แต่แตกต่างจากการสังเคราะห์โปรตีนในเซลล์ยูคาริโอตมาก
คำว่า "ไมโตคอนเดรีย" ถูกนำมาใช้โดย Benda ในตอนท้ายของศตวรรษที่ 12 และทฤษฎี "endosymbiosis" เป็นที่ยอมรับกันมากที่สุดเกี่ยวกับที่มาของมัน สิ่งนี้ตีพิมพ์ในปี 1967 โดย Lynn Margulis ใน Journal of Theoretical Biology
ทฤษฎี "เอนโดซิมไบโอซิส" ระบุจุดกำเนิดของไมโทคอนเดรียเมื่อหลายล้านปีก่อน มีทฤษฎีว่าบรรพบุรุษของเซลล์ของเซลล์ยูคาริโอต“ กลืน” และรวมเอาสิ่งมีชีวิตที่คล้ายแบคทีเรียเข้าไปในการเผาผลาญซึ่งต่อมากลายเป็นสิ่งที่เรารู้จักกันในชื่อไมโทคอนเดรีย
ลักษณะเฉพาะ
ในสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมโดยทั่วไปจีโนมทั้งหมดที่ประกอบด้วยไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอจะถูกจัดเป็นโครโมโซมแบบวงกลม 15,000 ถึง 16,000 คู่ของนิวคลีโอไทด์หรือที่เหมือนกันคือ 15 ถึง 16 Kb (กิโลเบส)
ภายในไมโทคอนเดรียส่วนใหญ่คุณจะได้รับโครโมโซมไมโทคอนเดรียหลายชุด ในเซลล์ร่างกายของมนุษย์ (เซลล์ที่ไม่ใช่เพศ) เป็นเรื่องปกติที่จะพบโครโมโซมไมโทคอนเดรียอย่างน้อย 100 สำเนา
ในพืชชั้นสูง (แองจิโอสเปิร์ม) DNA ของไมโตคอนเดรียมักจะมีขนาดใหญ่กว่ามากตัวอย่างเช่นในพืชข้าวโพดโครโมโซมแบบวงกลมของดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียสามารถวัดได้ถึง 570 Kb
ไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอครอบครองประมาณ 1% ของดีเอ็นเอทั้งหมดของเซลล์ร่างกายของสัตว์มีกระดูกสันหลังส่วนใหญ่ เป็นดีเอ็นเอที่ได้รับการอนุรักษ์อย่างสูงในอาณาจักรสัตว์ตรงกันข้ามกับสิ่งที่สังเกตได้ในพืชซึ่งมีความหลากหลายมากมาย
ในเซลล์ยูคาริโอต "ขนาดยักษ์" บางชนิดเช่นรังไข่ (เซลล์เพศหญิง) ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนมหรือในเซลล์ที่มีไมโทคอนเดรียจำนวนมากไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอสามารถสร้างได้ถึง 1/3 ของดีเอ็นเอในเซลล์ทั้งหมด
DNA ของไมโตคอนเดรียมีคุณสมบัติแตกต่างจาก DNA นิวเคลียร์: มีความหนาแน่นและอัตราส่วนของ guanine-cytosine (GC) และ adenine-thymine (AT) ที่แตกต่างกัน
ความหนาแน่นของคู่เบส GC ใน mitochondrial DNA คือ 1.68 g / cm3 และเนื้อหาคือ 21%; ในขณะที่ดีเอ็นเอนิวเคลียร์มีความหนาแน่น 1.68 g / cm3 และมีเนื้อหาประมาณ 40%
คุณสมบัติ
ไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอมียีนอย่างน้อย 37 ยีนที่จำเป็นสำหรับการทำงานปกติของไมโตคอนเดรีย จากทั้งหมด 37 คน 13 คนมีข้อมูลในการผลิตเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับการออกซิเดชั่นฟอสโฟรีเลชัน
ยีน 13 ตัวนี้เข้ารหัสสำหรับส่วนประกอบโพลีเปปไทด์ 13 ชิ้นของเอนไซม์คอมเพล็กซ์ที่อยู่ในห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอนและอยู่ในเยื่อหุ้มชั้นในของไมโทคอนเดรีย
แม้จะมีโพลีเปปไทด์ 13 ชนิดที่ไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอก่อให้เกิดห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน แต่ก็ประกอบด้วยโพลีเปปไทด์ที่แตกต่างกันมากกว่า 100 ชนิด อย่างไรก็ตามส่วนประกอบทั้ง 13 นี้จำเป็นสำหรับการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันและห่วงโซ่การขนส่งอิเล็กตรอน
แผนผังของไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอ (ที่มา: Mikibc ~ commonswiki ผ่าน Wikimedia Commons)
ในบรรดาโพลีเปปไทด์ 13 ชนิดที่สังเคราะห์จากไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอหน่วยย่อย I, II และ III ของไซโตโครมซีออกซิเดสคอมเพล็กซ์และหน่วยย่อย VI ของปั๊ม ATPase ที่ฝังอยู่ในเมมเบรนภายในของออร์แกเนลล์ที่โดดเด่น
ข้อมูลที่จำเป็นสำหรับการสังเคราะห์ส่วนประกอบอื่น ๆ ที่ประกอบขึ้นเป็นไมโตคอนเดรียจะถูกเข้ารหัสโดยยีนนิวเคลียร์ สิ่งเหล่านี้ถูกสังเคราะห์ในไซโตพลาสซึมเช่นเดียวกับโปรตีนในเซลล์ที่เหลือจากนั้นนำเข้าสู่ไมโทคอนเดรียด้วยสัญญาณเฉพาะ
ในการออกซิเดทีฟฟอสโฟรีเลชันอะตอมของออกซิเจนและน้ำตาลเช่นกลูโคสจะใช้ในการสังเคราะห์หรือสร้างอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) ซึ่งเป็นสายพันธุ์ทางเคมีที่เซลล์ทั้งหมดใช้เป็นแหล่งพลังงาน
ยีนไมโทคอนเดรียที่เหลือมีคำแนะนำในการสังเคราะห์ทรานสเฟอร์อาร์เอ็นเอ (tRNAs) ไรโบโซมอลอาร์เอ็นเอและเอนไซม์อะมิโนอะซิล - อาร์เอ็นเอทรานสเฟอเรส - ซินเทเทส (tRNA) ซึ่งจำเป็นสำหรับการสังเคราะห์โปรตีนภายในไมโทคอนเดรีย
มรดก
จนกระทั่งเมื่อไม่นานมานี้มีความคิดว่าไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอถูกถ่ายทอดผ่านทางกรรมพันธุ์ของมารดาเท่านั้นนั่นคือโดยการสืบเชื้อสายโดยตรงจากแม่
อย่างไรก็ตามบทความที่ตีพิมพ์โดย Shiyu Luo และเพื่อนร่วมงานในวารสาร Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) ในเดือนมกราคม 2019 พบว่าในกรณีที่ไม่ค่อยพบ mitochondrial DNA สามารถถ่ายทอดทางพันธุกรรมได้จากทั้งพ่อและแม่ ของพ่อเหมือนของแม่
ก่อนที่จะมีการตีพิมพ์บทความนี้นักวิทยาศาสตร์พบว่าโครโมโซม Y และดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียได้รับการถ่ายทอดทางพันธุกรรมจากพ่อและแม่ตามลำดับไปยังลูกหลานตามลำดับ
การถ่ายทอดทางพันธุกรรมที่“ ไม่เปลี่ยนแปลง” ของยีนของโครโมโซม Y ของยีนไมโทคอนเดรียหมายความว่าสารพันธุกรรมไม่ได้รับการเปลี่ยนแปลงโดยการรวมตัวกันใหม่และในช่วงหลายปีที่ผ่านมาจะแตกต่างกันไปเนื่องจากการกลายพันธุ์ที่เกิดขึ้นเองดังนั้นการเปลี่ยนแปลงจึงค่อนข้างต่ำ .
ด้วยเหตุนี้การศึกษาการระดมประชากรส่วนใหญ่จึงทำโดยอาศัยยีนเหล่านี้เนื่องจากนักพันธุศาสตร์สามารถสร้างต้นไม้ครอบครัวโดยใช้ไมโทคอนเดรียดีเอ็นเอได้ง่าย
ประวัติศาสตร์ของมนุษย์ส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นใหม่โดยใช้ประวัติทางพันธุกรรมของไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอ บ้านธุรกิจหลายแห่งเสนอให้ชี้แจงความผูกพันในครอบครัวของผู้มีชีวิตแต่ละคนกับบรรพบุรุษผ่านเทคนิคที่ศึกษาลักษณะเหล่านี้
การทำซ้ำ
แบบจำลองแรกของการจำลองแบบไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอถูกเสนอในปี 2515 โดย Vinograd และผู้ทำงานร่วมกันและแบบจำลองนี้ยังคงใช้ได้โดยมีการเปลี่ยนแปลงบางอย่าง โดยทั่วไปแล้วโมเดลจะขึ้นอยู่กับการจำลองแบบทางเดียวซึ่งเริ่มต้นจากต้นกำเนิดของการจำลองแบบที่แตกต่างกันสองแบบ
นักวิทยาศาสตร์จำแนกโครโมโซมไมโตคอนเดรียออกเป็นสองเครือที่แตกต่างกันโซ่หนัก H หรือ OH มาจากภาษาอังกฤษ "heavy" และ light chain L หรือ OL จากภาษาอังกฤษ "light" สิ่งเหล่านี้ถูกระบุและอยู่ในกรอบการอ่านแบบเปิด (URF) ที่ไม่ได้กำหนดสองเฟรมบนโครโมโซมไมโทคอนเดรีย
การจำลองแบบของจีโนม mitochondrial เริ่มต้นในห่วงโซ่หนัก (OH) และดำเนินต่อไปในทิศทางเดียวจนกว่าจะมีการผลิตห่วงโซ่แสง (OL) เต็มความยาว ต่อจากนั้นโปรตีนที่เรียกว่า "mitochondrial single-stranded DNA binding protein" จะถูกยึดติดเพื่อป้องกันสายโซ่ที่ทำหน้าที่เป็น "parent" หรือ "template"
เอนไซม์ที่รับผิดชอบในการแยกสำหรับการจำลองแบบที่จะเกิดขึ้น (เรพลิคาโคโซม) จะส่งผ่านไปยังแถบแสง (OL) และโครงสร้างแบบลูปจะถูกสร้างขึ้นเพื่อบล็อกการจับตัวของโปรตีนที่จับกับดีเอ็นเอแบบมัดเดี่ยวของไมโทคอนเดรีย
ในลูปนี้ไมโตคอนเดรียอาร์เอ็นเอพอลิเมอเรสผูกมัดและการสังเคราะห์ไพรเมอร์ใหม่จะเริ่มขึ้น การเปลี่ยนไปใช้การสังเคราะห์โซ่หนัก (OH) เกิดขึ้น 25 นิวคลีโอไทด์ในภายหลัง
ในช่วงเวลาของการเปลี่ยนไปใช้โซ่หนัก (OH) ไมโตคอนเดรียอาร์เอ็นเอพอลิเมอเรสจะถูกแทนที่ด้วยดีเอ็นเอโพลีเมอเรสแบบจำลองไมโทคอนเดรียที่ปลาย 3 'ซึ่งการจำลองแบบเริ่มแรกเริ่มขึ้น
ในที่สุดการสังเคราะห์ของทั้งสองโซ่ทั้งหนัก (OH) และแสง (OL) จะดำเนินไปอย่างต่อเนื่องจนกว่าจะมีการสร้างดีเอ็นเอแบบเกลียวคู่ (เกลียวคู่) สองโมเลกุลที่สมบูรณ์
โรคที่เกี่ยวข้อง
มีหลายโรคที่เกี่ยวข้องกับความผิดปกติของดีเอ็นเอไมโตคอนเดรีย ส่วนใหญ่เกิดจากการกลายพันธุ์ที่ทำลายลำดับหรือข้อมูลที่มีอยู่ในจีโนม
การสูญเสียการได้ยินเมื่อเทียบกับอายุที่เพิ่มขึ้น
หนึ่งในโรคที่ได้รับการศึกษาที่ดีที่สุดซึ่งเกี่ยวข้องโดยตรงกับการเปลี่ยนแปลงของจีโนมดีเอ็นเอไมโทคอนเดรียคือการสูญเสียการได้ยินเนื่องจากอายุที่เพิ่มขึ้น
เงื่อนไขนี้เป็นผลมาจากปัจจัยทางพันธุกรรมสิ่งแวดล้อมและการดำเนินชีวิต เมื่อคนเราอายุมากขึ้น DNA ของไมโตคอนเดรียจะสะสมการกลายพันธุ์ที่เป็นอันตรายเช่นการลบการเปลี่ยนตำแหน่งการผกผันและอื่น ๆ
ความเสียหายต่อไมโทคอนเดรียดีเอ็นเอส่วนใหญ่เกิดจากการสะสมของสายพันธุ์ออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยาซึ่งเป็นผลพลอยได้จากการผลิตพลังงานในไมโทคอนเดรีย
ไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอมีความเสี่ยงต่อความเสียหายเป็นพิเศษเนื่องจากไม่มีระบบซ่อมแซม ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากสายพันธุ์ออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยาจะทำลายดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียและทำให้ออร์แกเนลล์ทำงานผิดปกติทำให้เซลล์ตาย
เซลล์ของหูชั้นในมีความต้องการพลังงานสูง ความต้องการนี้ทำให้พวกมันไวต่อความเสียหายของดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียเป็นพิเศษ ความเสียหายเหล่านี้สามารถเปลี่ยนการทำงานของหูชั้นในได้อย่างไม่อาจเปลี่ยนแปลงได้ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียการได้ยินทั้งหมด
การเกิดโรคมะเร็ง
ไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอมีความไวโดยเฉพาะอย่างยิ่งต่อการกลายพันธุ์ของร่างกายการกลายพันธุ์ที่ไม่ได้รับการถ่ายทอดจากพ่อแม่ การกลายพันธุ์ประเภทนี้เกิดขึ้นในดีเอ็นเอของเซลล์บางเซลล์ตลอดชีวิตของบุคคล
มีหลักฐานที่เชื่อมโยงการเปลี่ยนแปลงของไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอที่เกิดจากการกลายพันธุ์ของร่างกายกับมะเร็งบางชนิดเนื้องอกในต่อมน้ำนมในลำไส้ใหญ่ในกระเพาะอาหารในตับและในไต
การกลายพันธุ์ในไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอยังเกี่ยวข้องกับมะเร็งในเลือดเช่นมะเร็งเม็ดเลือดขาวและมะเร็งต่อมน้ำเหลือง (มะเร็งของเซลล์ของระบบภูมิคุ้มกัน)
ผู้เชี่ยวชาญเชื่อมโยงการกลายพันธุ์ของร่างกายในไมโทคอนเดรียดีเอ็นเอกับการเพิ่มขึ้นของการผลิตสายพันธุ์ออกซิเจนที่ทำปฏิกิริยาปัจจัยที่เพิ่มความเสียหายของดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียและสร้างการขาดการควบคุมในการเจริญเติบโตของเซลล์
ไม่ค่อยมีใครรู้ว่าการกลายพันธุ์เหล่านี้เพิ่มการแบ่งเซลล์ที่ไม่สามารถควบคุมได้อย่างไรและจะพัฒนาเป็นเนื้องอกมะเร็งได้อย่างไร
อาการอาเจียนเป็นวัฏจักร
บางกรณีของการอาเจียนเป็นวัฏจักรซึ่งเป็นเรื่องปกติของวัยเด็กเชื่อว่าเกี่ยวข้องกับการกลายพันธุ์ในไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอ การกลายพันธุ์เหล่านี้ทำให้เกิดอาการคลื่นไส้อาเจียนและเหนื่อยล้าหรือเซื่องซึม
นักวิทยาศาสตร์เชื่อมโยงตอนอาเจียนเหล่านี้กับข้อเท็จจริงที่ว่าไมโตคอนเดรียที่มีดีเอ็นเอของไมโตคอนเดรียที่เสียหายอาจส่งผลต่อเซลล์บางชนิดของระบบประสาทอัตโนมัติซึ่งส่งผลต่อการทำงานเช่นอัตราการเต้นของหัวใจความดันโลหิตและการย่อยอาหาร
แม้จะมีความสัมพันธ์เหล่านี้ แต่ก็ยังไม่ชัดเจนว่าการเปลี่ยนแปลงของดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียทำให้อาการกำเริบของอาการอาเจียนเป็นวงจรได้อย่างไร
อ้างอิง
- เคลย์ตัน, D. (2003). Mitochondrial DNA replication: สิ่งที่เรารู้ ชีวิต IUBMB, 55 (4-5), 213-217
- Falkenberg, M. (2018). การจำลองแบบไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอในเซลล์ของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม: ภาพรวมของวิถี บทความทางชีวเคมี, 62 (3), 287-296.
- Giles, RE, Blanc, H. , Cann, HM และ Wallace, DC (1980) การถ่ายทอดทางพันธุกรรมของดีเอ็นเอไมโตคอนเดรียของมนุษย์ Proceedings of the National Academy of Sciences, 77 (11), 6715-6719
- Luo, S. , Valencia, CA, Zhang, J. , Lee, NC, Slone, J. , Gui, B, & Chen, SM (2019) ตอบกลับ Lutz-Bonengel et al .: การถ่ายทอด mtDNA แบบไบพาเรนทัลไม่น่าจะเป็นผลมาจากส่วนดีเอ็นเอของไมโตคอนเดรียนิวเคลียร์ การดำเนินการของ National Academy of Sciences, 116 (6), 1823-1824
- McWilliams, TG, & Suomalainen, A. (2019). ชะตากรรมของไมโตคอนเดรียของพ่อ ธรรมชาติ, 565 (7739), 296-297
- หอสมุดแห่งชาติแพทยศาสตร์. ข้อมูลอ้างอิงทางพันธุกรรม: คำแนะนำในการทำความเข้าใจเงื่อนไขทางพันธุกรรม
- Shadel, GS, & Clayton, DA (1997). การบำรุงรักษาไมโตคอนเดรียดีเอ็นเอในสัตว์มีกระดูกสันหลัง การทบทวนชีวเคมีประจำปี, 66 (1), 409-435.
- Simmons, MJ และ Snustad, DP (2006) หลักพันธุศาสตร์. John Wiley & Sons